EP2607617A1

EP2607617A1 - Förderlochanordnung

Info

Publication number: EP2607617A1
Application number: EP11194935.0A
Authority: EP
Inventors: Tom Blades; Rudolf Sollacher; Bernd Wacker; Andreas Ziroff
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2011-12-21
Filing date: 2011-12-21
Publication date: 2013-06-26

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Förderlochanordnung (1) zum Bohren oder Betreiben eines Förderlochs, das zum Fördern eines Fluids, insbesondere Erdöl und/oder Erdgas, aus einer unterirdischen Lagerstätte vorgesehen ist. Die Förderlochanordnung (1) umfasst mindestens eine unterirdische elektronische Komponente (10, 11) und mindestens eine Opferanode (20), die mit einem umgebenden Erdreich (2) des Förderlochs elektrisch in Verbindung steht. Dabei ist eine erste der mindestens einen Opferanoden (20) mit einer ersten der Komponenten (10, 11) derart miteinander elektrisch verbunden, dass ein sich ergebendes Spannungspotential (30) über die erste Opferanode (20) und über die erste Komponente (10, 11) als Versorgungsspannung für die erste Komponente (10, 11) verwendet wird.

Description

Die Erfindung betrifft Förderlochanordnung zum Bohren oder Betreiben eines Förderlochs bzw. eines Bohrlochs mit dem Ziel des Förderns von insbesondere Erdöl und/oder Erdgas. Die Erfindung betrifft dabei besonders die Versorgung elektronischer Komponenten innerhalb des Förder- bzw. Bohrlochs.
Beim Erschließen von Erdöl- oder Erdgaslagerstätten mittels Bohrlöchern treibt eine an einem Bohrgestänge befestigte Bohrturbine einen Bohrer bzw. einen Meißel an, der immer weiter in den Grund getrieben wird. Die dabei anfallenden losen Gesteine werden über das Bohrloch an die Oberfläche transportiert. Das Bohrgestänge ist dabei üblicherweise metallisch. Zur Kühlung des Bohrers und zum Abtransport des Gesteins kann eine Flüssigkeit über das Bohrloch über ein Innenrohr bis zum Bohrer geleitet werden und ebenfalls innerhalb des Bohrlochs in einem Annulus zwischen Bohrloch und Innenrohr zusammen mit dem zerkleinerten Gestein wieder nach oben transportiert werden. Zum Stabilisieren des Bohrlochs kann das Bohrloch bereits bei der Erschließungsphase in verschiedenen Stufen ausgekleidet werden mittels eines Futterrohrs oder eines Gehäuses. Zum Einsatz kommen metallische Rohre, die vorzugsweise zusätzlich von außen einzementiert werden.
Bereits beim Bohren kann es wichtig sein verschiedene Daten auszuwerten, beispielsweise die Temperatur des Bohrkopfes oder die Zusammensetzung des abtransportierten Gesteingutes. Es können beispielsweise in der Nähe des Bohrkopfes Sensoren installiert sein, die aktuelle Werte wie z. B. Druck liefern. Insbesondere bei Ölbohrungen werden außerdem Ventile eingesetzt, welche ebenfalls Sensoren haben können, um den Öffnungs-Zustand des jeweiligen Ventils zu erkennen.
Auch wenn die Erschließungsphase abgeschlossen ist, werden Sensoren benötigt, um zur Optimierung der Produktion beispielsweise die Änderungen von Druck, Temperatur oder elektrische Leitfähigkeit zu messen. Dazu werden im Förderloch Sensoren installiert. Das Förderloch entspricht dem Bohrloch, bei dem das Bohrgestänge entfernt ist und bei dem insbesondere ein Förderrohr innerhalb des Futterrohrs eingeführt sein kann. Sofern die Lagerstätte nicht ausreichend natürlichen Druck aufweist, um das Erdöl oder das Erdgas von selbst über das Förderrohr an die Oberfläche zu transportieren, können zusätzlich Pumpen mit zugehörigem Pumpengestänge eingeführt werden oder ein Gas-Lift-System. Hierbei ist zu beachten, dass der Zustand von bewegten Teilen einer Abnutzung unterliegt, so dass es wichtig sein kann zu ermitteln, ob sich das Verhalten einer Pumpe oder eines Antriebsmotors ändert, beispielsweise aufgrund von Abnutzung von Lagern. Dies kann derart ausgewertet werden, dass frühzeitig Maßnahmen zu einem geplanten Austausch vorgenommen werden können. Das wird erneut durch Sensoren im Förderloch oder an der Pumpe ermöglicht.
Beim Erschließen von Erdöl- oder Erdgaslagerstätten mittels Bohrlöchern und auch bei der späteren Förderung von Erdöl oder Erdgas über diese Bohrlöcher bzw. nun Förderlöcher genannt, kann es somit wichtig sein, Daten mittels Sensoren an unterschiedlichen Stellen im Bohr- bzw. Förderloch zu ermitteln bzw. zu erfassen und an die Oberfläche zu einem Rechner zu übermitteln, damit die gesammelten Daten dort verarbeitet, angezeigt und/oder überwacht werden können.
Zwei wesentliche Probleme, die eng miteinander in Verbindung stehen, bestehen in der Tatsache, dass einerseits die Sensoren eine Energiezufuhr benötigen, was schwierig zu bewerkstelligen ist, und andererseits eine zuverlässige Datenkommunikation bis zum Rechner an der Oberfläche ermöglicht werden muss, wobei die Mittel zur Datenkommunikation für ihren Betrieb ebenfalls eine Energiezufuhr benötigen.
Aus der US 2005/0024231 A1 sind viele verschiedene Lösungsmöglichkeiten für ein Bohrloch in der Erschließungsphase bekannt. Offenbart sind autonome Telemetrie-Stationen, die in Abständen zueinander am Bohrstrang angeordnet sind, wobei die Daten von Station zu Station bis zum Rechner an der Oberfläche übermittelt werden. Die Energie für eine der Telemetrie-Stationen wird dabei aus der Umgebung der jeweiligen Telemetrie-Station entnommen. Als Energiequelle kommt die potentielle Energie der geförderten Bohrflüssigkeit, Bewegungsenergie eines injizierten Fluids oder des Bohrgestänges, Wirbelströme im Zusammenspiel mit einem piezoelektrischen Material, die Spannung einer Opferanode die das Bohrgestänge gegenüber einer leitenden Bohrflüssigkeit schützt, Temperaturdifferenzen zwischen dem Inneren und dem Äußeren des Bohrgestänges oder Induktion durch eine leitende Bohrflüssigkeit unter Verwendung von Permanentmagneten in Frage. Weiterhin werden ersetzbare oder wiederaufladbare Batterien als Energielieferant erwähnt.
US 2005/0024231 A1 offenbart weiterhin verschiedene Varianten der Kommunikation, beispielsweise akustische Übertragung, Übertragung mittels Radiofrequenzen, elektromagnetische oder optische Übertragung. Vorzugweise stehen benachbarte Telemetrie-Stationen in Kommunikation miteinander, wobei vorzugsweise auch Stationen übersprungen werden können, so dass längstmögliche Übertragungsstrecken mit einer geringen Zahl an beteiligten Telemetrie-Stationen erreicht werden kann.
Als Sensoren offenbart US 2005/0024231 A1 weiterhin Druck-, Temperatur- und Vibrationssensoren, sowie Sensoren zur Überwachung von Strom- und Spannungswerten der Telemetrie-Stationen.
Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, die vorbeschriebene Einrichtung weiter zu optimieren, die es insbesondere ermöglicht Sensoren und/oder Kommunikationseinrichtungen im Förderloch ohne eine Energiezufuhr von der Erdoberfläche zu betreiben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung betrifft eine Förderlochanordnung zum Bohren oder Betreiben eines Förderlochs, das zum Fördern eines Fluids, insbesondere Erdöl und/oder Erdgas und/oder ein Mehrphasengemisch z.B. umfassend Erdöl und Erdgas, aus einer unterirdischen Lagerstätte - auch Reservoir genannt - vorgesehen ist. Alternativ ist der erfinderische Gedanke auch beim Betreiben von Injektionsrohren einsetzbar, zum Injizieren eines Fluids, bei denen in umgekehrter Flussrichtung ein Fluid in einen Untergrund transportiert wird. In dem Fall eines Injektionsrohr ist allerdings die Wortwahl "Förderloch" eventuell missverständlich und es kann alternativ auch von Einspeisungsloch oder einen ähnlichen Begriff gesprochen werden. Zur Vereinfachung wird in diesem Dokument stets von Förderloch gesprochen.
Die Förderlochanordnung umfasst dabei mindestens eine unterirdische elektronische Komponente - vorzugsweise einen Sensor und/oder eine Kommunikationseinrichtung - und mindestens eine Opferanode, die mit einem umgebenden Erdreich des Förderlochs elektrisch in Verbindung steht, wobei eine erste der mindestens einen Opferanoden mit einer ersten der Komponenten derart miteinander elektrisch - insbesondere galvanisch - verbunden ist, dass ein sich ergebendes Spannungspotential über die erste Opferanode und über die erste Komponente als Versorgungsspannung für die erste Komponente verwendet wird.
Durch eine galvanische Verbindung des Metallrohrs mit der Opferanode entsteht ein Primärelement. Aufgrund des negativeren elektrochemischen Potentials der Opferanode im Vergleich zum Metallrohr gibt erstere Elektronen an den Sauerstoff der elektrolytischen Umgebung ab. Dadurch werden aus der Opferanode Ionen ausgelöst und treten in die Umgebung über - so dass die Opferanode sehr langsam aufgrund Oxidation bzw. Korrosion zersetzt wird - während das Metallrohr nur Elektronen aufnimmt und dadurch geschützt bleibt. Diese elektrische Potentialdifferenz zwischen Opferanode und Metallrohr wird in der vorliegenden Erfindung als Betriebs- oder Versorgungsspannung der ersten Komponente verwendet. Dadurch wird der Stromkreis des Primärelements aus Opferanode und Metallrohr nicht nur durch die elektrolytische Umgebung, sondern parallel auch durch die Komponente geschlossen.
Vorzugsweise wird mit jeder Komponente eine Opferanode paarweise verbunden. Wenn die Komponente als ein Paar von miteinander verbundenem Sensor und Kommunikationseinrichtung ausgebildet ist, dann kann die Opferanode auch mit dem Sensor und der Kommunikationseinrichtung verbunden sein, so dass beide durch die Opferanode mit Energie versorgt werden können.
Die Förderlochanordnung ist dabei insbesondere vorteilhaft, als dass auf externe Energiequellen verzichtet werden kann. Die Komponenten können bezüglich ihrer Energieversorgung autark betrieben werden. Dies ist möglich, wenn besonders wenig Energie benötigende Komponenten betrieben werden.
Die Opferanode dringt vorzugsweise unmittelbar ins Erdreich ein oder steht zumindest unmittelbar mit dem Erdreich in Berührung. Sie stellt insbesondere ein Stück unedles Metall dar. Der Begriff "Opferanode" wird dabei üblicherweise verwendet, sofern sie mit einem zu schützenden metallischen Material leitend verbunden ist. Dies kann auch gemäß der Erfindung vorliegen, z.B. wenn die Opferanode mit dem Förderrohr leitend verbunden ist. Jedoch wird im Rahmen der vorliegenden Patent-Ausarbeitung der Begriff "Opferanode" etwas weiter interpretiert, und zwar als jede Einheit, die langsam durch Ionenverlust zersetzt wird. Ein zu schützender weiterer Körper, an dem traditionell eine Opferanode angebracht würde, muss nicht zwingend vorliegen. Die Opferanode ist lediglich ein korrodierender oder oxidierender Körper.
Die Opferanode kann allerdings Teil eines Kathodenschutzsystems sein. Sie kann elektrisch mit dem Förderrohr, einem Steigrohr, einer "Tubing", einem Transportrohr oder mit einem Bohrgestänge oder mit einem Förder- oder Pumpengestänge verbunden sein.
Sofern die vorgeschlagene Energieversorgung über die Opferanode nicht ausreichen sollte, könnte zusätzlich ein Vibrationsgenerator oder eine Einrichtungen in Form einer Turbine vorgesehen sein, die Energie aus der Bewegung des geförderten Fluids entnehmen.
In einer Ausgestaltung kann eine elektrisch leitende Auskleidung - z.B. eine Verschalung, ein Futterrohr, ein so genanntes "Casing" - zur Stabilisierung des Förderlochs gegenüber dem umgebenden Erdreich vorgesehen sein und die mindestens eine Opferanode mit der Auskleidung elektrisch verbunden sein.
Vorzugsweise kann die elektrisch leitende Auskleidung eine isolierende Umhüllung und/oder eine Zementumhüllung zwischen der Auskleidung und dem umgebenden Erdreich aufweisen, wobei mindestens ein Abschnitt vorgesehen ist, der eine elektrische Verbindung zwischen der Auskleidung und dem Erdreich bereitstellt. Insbesondere kann die elektrische Verbindung durch die Opferanode selbst bereitgestellt werden. Vorzugsweise dringt die Opferanode ins Erdreich. Im Fall einer Zementumhüllung durchdringt die Opferanode oder ein weiteres Verbindungsstück vorzugsweise den Zement, um die Verbindung zwischen Erdreich, Opferanode und Auskleidung herzustellen. In einer ersten Ausgestaltungsform kann die erste Komponente in die elektrisch leitende Auskleidung integriert sein. Alternativ kann die erste Komponente an die elektrisch leitende Auskleidung angebracht sein oder in einem rohrförmigen Inneren der Auskleidung angeordnet sein. Die elektrisch leitende Auskleidung kann als ein zylindrisches Rohr ausgebildet sein. Die erste Komponente kann dabei innerhalb des zylindrischen Rohrs, z.B. auf einer inneren Mantelfläche des Rohrs, angeordnet sein.
In einer weiteren Ausgestaltung kann die erste Komponente in einer Halterung, die eine im wesentlichen zylindrische an ein zylindrisches Rohr der Auskleidung angepasste Mantelfläche aufweist, angeordnet sein. Die Halterung ist somit vorzugsweise ein Zylinder der weitgehend aus elektrisch isolierendem Isolationsmaterial besteht. Dieser Zylinder soll idealerweise passgenau in das zylindrische Rohr eingeführt werden, so dass sich die beiden Körper berühren. Vorzugsweise kann ein erster Schleifkontakt an der Mantelfläche vorgesehen sein, um die erste Opferanode - die vorzugsweise direkt mit dem Erdreich körperlich in Verbindung ist - mit der ersten Komponente elektrisch zu verbinden. Alternativ kann die erste Opferanode derart als Schleifkontakt an der Mantelfläche ausgebildet sein, um den elektrischen Kontakt zum Erdreich und zur ersten Komponente herzustellen. Im letztgenannten Fall ist es nicht nötig, dass die Opferanode direkt mit dem Erdreich in Berührung ist, sondern es genügt eine mittelbare elektrische Verbindung zum Erdreich. Dies kann insbesondere gegeben sein, wenn die Opferanode einen unmittelbaren körperlichen Kontakt zur Auskleidung aufweist.
In einer weiteren Ausgestaltung kann koaxial zur elektrisch leitende Auskleidung ein Transportrohr zum Leiten des geförderten Fluids - vorzugsweise Erdöl und/oder Erdgas und/oder beliebige weitere gasförmige, flüssige oder mehrphasige Strömungssubstanzen - vorgesehen sein, wobei die Halterung mit dem Transportrohr über ein elektrisch isolierendes Verbindungselement mechanisch verbunden ist.
Wie bereits angedeutet kann die erste Komponente eine Sende- und/oder Empfangseinrichtung zur Übermittlung von Daten aufweisen oder als eine derartige Sende- und/oder Empfangseinrichtung ausgebildet sein, wobei die Daten mittels akustischer Wellen oder optischer Wellen oder Radiofrequenzwellen oder elektromagnetischer Wellen übermittelt werden. Die Übermittlung kann in einem Metallrohr - insbesondere die Auskleidung - erfolgen. Demgemäß kann als für die Sende- und/oder Empfangseinrichtung zur Übermittlung als Übertragungsmedium ein Lichtfaserleiter oder ein elektrisches Kabel oder Luft oder die Auskleidung oder das transportierte Fluid selbst vorgesehen selbst. Die Übertragung kann dann auf einer Pulsbreiten- oder Pulsmodulation oder "Frequency Shift Keying" basieren. Insbesondere kann "Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance" (CSMA-CA) oder "Low Power Listening" eingesetzt werden.
Wie bereits erwähnt, kann die erste Komponente vorzugsweise einen Sensor und/oder eine Kommunikationseinrichtung umfassen. Bei dem Sensor kann es sich beispielsweise um einen Sensor zu Erfassen einer Temperatur, einer Flüssigkeitsgeschwindigkeit bzw. Flussrate, einer Flüssigkeitszusammensetzung, eines Drucks oder weiterer Parameter im Förderloch handeln. Die durch den Sensor erfassten Informationen können über die Kommunikationsreinrichtung an die Oberfläche oder zu einer nächsten Kommunikationsreinrichtung im Förderloch übertragen werden. Im letztgenannten Fall kann über kurze Distanzen von Kommunikationsreinrichtung zu Kommunikationsreinrichtung die Information stufenweise weitergeleitet werden, bis die Daten schließlich an einen Empfänger an der Oberfläche gelangen, um dort eine Auswertung zu ermöglichen. Eine Implementierung mit mehreren Kommunikationseinrichtungen hat dabei den Vorteil, dass nur kurze Distanzen überbrückt werden müssen, so dass der Strombedarf der Kommunikationseinrichtung gering ist. Weiterhin sind eventuell ohnehin in gewissen Abständen Sensoren und zugehörige Kommunikationseinrichtungen vorzusehen, so dass es vorteilhaft ist, diese Kommunikationseinrichtungen nicht als bloße Sender auszugestalten, sondern auch als Empfänger und Weiterleitungsstation. Es kann somit eine Übertragungskette gebildet werden, über die alle Daten aller Sensoren aus dem Untergrund an die Oberfläche übertragen werden können.
In anderen Worten ausgedrückt kann eine zweite elektronische Komponente und eine dritte elektronische Komponente mit ihren jeweiligen Sende- und/oder Empfangseinrichtungen zusammen mit der Sende- und/oder Empfangseinrichtung der ersten Komponente eine Übertragungskette bilden, so dass Daten von der Sendeeinrichtung der ersten Komponente zur Empfangseinrichtung der zweiten Komponente übertragen werden und nach Erhalt bei der zweiten Komponente die Daten durch die Sendeeinrichtung der zweiten Komponente zur Empfangseinrichtung der dritten Komponente übertragen werden. Diese Bildung kann in Form einer so genannten "Daisy Chain" erfolgen. Dies hat den Vorteil, dass jede einzelne Sendeeinrichtung nur eine geringe Distanz für die Nachrichtenübermittlung überbrücken muss und somit weniger Energie benötigt.
Die Auskleidung kann vollständig metallisch sein oder kann abschnittsweise elektrisch nicht-leitende Abschnitte aufweisen, so dass im letztgenannten Fall der sich durch die Opferanoden ergebende Stromfluss gezielt zur Komponente gelenkt werden kann.
Bei tieferen Bohr- oder Förderlöchern können mehrere Abschnitte von Auskleidungen - also vorzugsweise Teilrohre - vorgesehen sein, wobei tiefer liegende Abschnitte einen geringen Durchmesser haben als Abschnitte die näher an der Oberfläche liegen. Übergänge zwischen zwei Abschnitten werden vorzugsweise ebenfalls mit Zement abgedichtet. Jedoch kann vorzugsweise zur Umsetzung der Erfindung eine leitende Verbindung zwischen den zwei aneinandergrenzenden Abschnitten vorgesehen sein, um beide Abschnitte elektrisch zu verbinden. In einer anderen Ausgestaltung kann es allerdings vorteilhaft sein, dass sich eine galvanische Trennung zwischen den Abschnitten ergibt.
Die vorliegende Erfindung und deren Weiterbildungen werden nachfolgend im Rahmen eines Ausführungsbeispiels an Hand von Figuren näher erläutert.
Dabei zeigen in schematischer Darstellung

Figur 1: eine Schnittzeichnung eines Förderlochs mit einer erfindungsgemäßen Förderlochanordnung;
Figur 2: eine vergrößerte Darstellung einer Halterung für einen Sensor und einer Kommunikationseinrichtung;
Figur 3: eine weitere Schnittzeichnung einer alternativen Förderlochanordnung;
Figur 4: eine Schnittzeichnung einer alternativen Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Förderlochanordnung.

Sich in den Figuren entsprechende Teile sind jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
In FIG. 1 ist eine Förderlochanordnung 1 zum Betreiben eines Förderlochs dargestellt. Das Förderloch dringt dabei ins umgebende Erdreich 2 ein.
Abhängig von der Tiefe des Förderlochs und von der Beschaffenheit des Erdreichs 2 in den verschiedenen Tiefen ist zumindest teilweise oder über die vollständige Tiefe des Förderlochs eine Auskleidung 3 - als Ummantelung, Casing oder Futterrohr - zur Stabilisierung des Bohrlochs gegenüber dem Erdreich 2 vorgesehen. In FIG. 1 ist die Auskleidung zweistufig dargestellt. In einem oberflächennahen Abschnitt ist eine erste Auskleidung (mit Bezugszeichen 3 beschriftet) mit einem ersten Zylinderradius dargestellt; in einem oberflächenfernen Abschnitt ist weiterhin eine zweite Auskleidung 3' dargestellt, mit einem zweiten Zylinderradius der geringer ist als der erste Zylinderradius. Zur Stabilisierung ist die Auskleidung 3, 3' mit einer Zementumhüllung 4 umgeben, die neben der Stabilisierung auch elektrisch isolierend gegenüber dem Erdreich 2 wirkt. Die Auskleidung 3, 3' ist dagegen vorzugsweise ein metallisches Rohr und elektrisch leitend ausgebildet. Die Auskleidung 3, 3' ist hierbei vorzugweise durchgängig leitend, eventuell durch ein leitendes Verbindungsstück zwischen den mit 3 und 3' bezeichneten Abschnitten.
Ein - vorzugsweise weitgehend zylindrisches - Transportrohr 5 innerhalb des Förderlochs und koaxial zur Auskleidung 3 umfasst vorzugsweise eine Mehrzahl von hohlen Rohrstücken, die miteinander zu einer Fluid-Leitung verbunden sind. Das Transportrohr 5 ist dafür vorgesehen, dass über dessen rohrförmigen Hohlraum das zu fördernde Fluid - eine Flüssigkeit, ein Gas oder ein mehrphasiges Flüssigkeits-Gas-Feststoffgemisch - nach oben zur Oberfläche aus dem Förderloch transportiert werden kann.
Zwischen dem Transportrohr 5 und der Auskleidung 3 ist ebenfalls ein weiterer Hohlraum 6, der annular ausgebildet ist. Im Hohlraum 6 ist zwischen der Auskleidung 3 und dem Transportrohr 5 in Abständen zueinander wiederholt Halterungen 40 vorgesehen, die das Transportrohr 5 innerhalb der Auskleidung 3 fixieren, d.h. in koaxiale Position halten. Die Halterung 40 ist vorzugsweise weitgehend nicht-metallisch. Weiterhin ist er vorteilhafterweise zylindrisch ausgebildet, wobei im Inneren eine zylindrische Aussparung zum Durchführen des Transportrohrs 5 vorgesehen, so dass die Halterung 40 im wesentlich rohrförmig ist, mit kurzer Rohrlänge und einer eventuell breiten Rohrwand. Dabei hat die Halterung 40 eine Mantelfläche 42.
Innerhalb der Halterung 40 ist vorzugsweise ein Sensor 10 als erste Komponente und/oder eine Kommunikationseinrichtung 11 - ebenfalls als erfindungsgemäße erste Komponente - vorgesehen.
Der in der Halterung 40 angeordnete Sensor 10 ist dafür vorgesehen, gewisse Zustandsdaten aufzunehmen und zu erfassen. Aufgenommen werden können physikalische oder chemische Eigenschaften des Mehrphasengemisches oder der Umgebung des Sensors - Temperatur, Druck, Geschwindigkeit - und/oder die stoffliche Beschaffenheit des Mehrphasengemisches.
Diese durchgängig oder in gewissen Zeitabständen ermittelten Zustandsdaten können von dem Sensor 10 an die genannte Kommunikationseinrichtung 11 übermittelt werden, so dass die Kommunikationseinrichtung 11 - die zumindest eine Sendeeinrichtung umfasst - die Zustandsdaten mittels Kommunikationsdaten eines Kommunikationsprotokolls in Richtung Oberfläche überträgt. Die Übertragung kann dabei direkt bis zu einer an der Oberfläche angeordneten Empfangseinheit erfolgen, was sich allerdings in einem erhöhten Energiebedarf der Kommunikationseinrichtung 11 auswirkt. Bevorzugt umfassen die Kommunikationseinrichtungen 11 auch Empfangseinrichtungen, so dass die Kommunikationsdaten als Nachrichten nur zwischen benachbarten Kommunikationseinrichtungen 11 übermittelt werden, wobei eine Kommunikationseinrichtung 11 eine durch ihre Empfangseinrichtung von einer tiefer im Bohrloch angeordneten Kommunikationseinrichtung 11 empfangenen Nachricht weiter zur nächsthöheren Kommunikationseinrichtung 11 weiterleitet, indem die Nachricht an die Sendeeinrichtung der Kommunikationseinrichtung 11 übergeben wird und von dieser daraufhin weitergesendet wird. Somit kann von einem tief gelegenen Sensor 10 eine Nachricht mit Sensordaten auf einfache Weise und mit geringem Energiebedarf zur Oberfläche übermittelt werden, da jeweils nur die Distanz zwischen zwei Kommunikationseinrichtungen 11 überbrückt werden muss. Die Nachricht bzw. Meldung wird jeweils durch die jeweilige Kommunikationseinrichtung 11 weitergeleitet. Dabei kann die Meldung auch umkodiert werden und insbesondere mit weiteren Sensordaten kombiniert werden und in eine neue Meldung aufgenommen werden.
Es ergibt sich also ein Kommunikationssystem, was bei Bus-Systemen als Daisy-Chain bezeichnet wird, bei dem eine Übertragung zur Empfangseinheit an der Oberfläche nur durch die oberste Kommunikationseinrichtung 11 möglich ist. Die tiefer im Förderloch angeordneten Kommunikationseinrichtungen 11 tauschen lediglich mit ihren jeweiligen Nachbar-Kommunikationseinrichtungen 11 Meldungen aus. Somit ist die Förderlochanordnung 1 vorzugsweise so ausgebildet, dass eine erste elektronische Komponente mit einem ersten Sensor 10 und einer ersten Kommunikationseinrichtung 11, eine zweite elektronische Komponente mit einem zweiten Sensor 10 und einer zweiten Kommunikationseinrichtung 11 und eine dritte elektronische Komponente mit einem dritten Sensor 10 und einer dritten Kommunikationseinrichtung 11 mit ihren zugeordneten jeweiligen Kommunikationseinrichtungen 11 eine Übertragungskette bilden, so dass beliebige Daten - aber insbesondere Messdaten aus dem Untergrund, aber auch reine protokollkonforme Kommunikationsdaten - von der Sendeeinrichtung der ersten Komponente zur Empfangseinrichtung der zweiten Komponente übertragen werden und nach Erhalt bei der zweiten Komponente die Daten durch die Sendeeinrichtung der zweiten Komponente zur Empfangseinrichtung der dritten Komponente übertragen werden.
Vorteilhaft ist dabei insbesondere, dass die Sensoren 10 und die Kommunikationseinrichtungen 11 lediglich wenig Energie benötigen und somit die Energiezufuhr reduziert werden kann. Um eine Energieversorgung eines jeweiligen Sensors 10 und/oder einer jeweiligen Kommunikationseinrichtung 11 zu gewährleisten, kann es genügen, eine im oder am Förderloch angeordnete autarke Energieversorgung vorzusehen. Auf eine Energieversorgung von der Erdoberfläche kann verzichtet werden.
Die Energieversorgung erfolgt erfindungsgemäß mit einer Opferanode 20, die vorzugsweise und wie in Fig. 1 dargestellt, ins umgebende Erdreich 2 dringt. Die Opferanode 20 steht auf diese Weise mit dem Erdreich 2 elektrisch in Verbindung, wodurch Ionen aus der Opferanode 20 ausgelöst werden können und sich ein Stromfluß ergibt. Weiterhin existiert eine Potentialdifferenz an der Opferanode 20. Aufgrund dieser Vorgänge ergibt sich ein Spannungspotential am Sensor 10 und/oder an der Kommunikationseinrichtung 11.
Die Opferanode 20 ist darüber hinaus über weitere leitende Verbindungsstücke mit dem nächstgelegenen Sensor 10 und/oder der Kommunikationseinrichtung 11 elektrisch verbunden. Gemäß Fig. 1 erfolgt die elektrische Verbindung über ein mit der Opferanode 20 körperlich verbundenen leitenden Kontaktelement 21, dass die Auskleidung 3 durchdringt und mit einem an einer Mantelfläche der Halterung 40 angeordneten leitenden Schleifkontakt 41 verbunden ist. Der Schleifkontakt 41 hat weiterhin, integriert in der Halterung 40, eine leitende Verbindung zur ersten Komponente - also zum Sensor 10 und/oder zur Kommunikationseinrichtung 11 (vgl. Fig. 2). Aufgrund dieser leitenden Verbindung kann ein Spannungspotential 30 (siehe Fig. 2) von der Opferanode 20 bis zur ersten Komponente aufgebaut werden, das als Versorgungsspannung für die erste Komponente verwendet wird. Der Sensor 10 und/oder die Kommunikationseinrichtung 11 können folglich durch leitende Verbindung zur Opferanode 20 mit Energie versorgt werden.
Vorzugsweise kann zusätzlich ein Stromspeicherelement wie ein Kondensator oder ein Akkumulator vorgesehen sein, um mittels der Opferanode 20 generierte Energie zu speichern, so dass selbst bei geringer abfallender Spannung oder bei niedriger bereitgestellter Spannung durch Verwendung des Energiespeichers ausreichend Energie zwischengespeichert werden kann, um zumindest in zeitlichen Abständen -vorzugsweise in gleichen Zeitabständen - den Sensor 10 und/oder die Kommunikationseinrichtung 11 lediglich für einen Zeitabschnitt mit Energie zu versorgen.
Gemäß der bisherigen Erläuterung können der Sensor 10 und/oder die jeweilige Kommunikationseinrichtung 11 im Verbindungsstück 40 integriert sein. Alternativ können der jeweiligen Sensor 10 und/oder die jeweilige Kommunikationseinrichtung 11 auch in oder an der Auskleidung 3 angeordnet sein (dargestellt in Fig. 4).
In Fig. 1 ist angedeutet, dass die Opferanode 20 und das Kontaktelement 21 die Auskleidung 3 durchdringen. Alternativ können sie auch von außen an die Auskleidung 3 angebracht werden, so dass eine elektrisch leitende Verbindung von der Opferanode 20, über das Kontaktelement 21, die Auskleidung 3, den Schleifkontakt 41 und leitenden Verbindungsstücken innerhalb der Halterung 40 bis zum Sensor 10 und/oder bis zur Kommunikationseinrichtung 11 etabliert wird. Der Aspekt mit der von außen an die Auskleidung 3 angebrachten Opferanode 20 und/oder mit dem von außen an die Auskleidung 3 angebrachten Kontaktelement 21 ist in Fig. 4 angedeutet.
Das Kontaktelement 21 ist lediglich optional vorzusehen. Die Opferanode 20 kann auch direkt mit der Auskleidung 3 oder dem Schleifkontakt 41 in Berührung stehen.
Die Opferanode 20 kann wie in Fig. 1 als eigenständige Komponente an die unmittelbar oder mittelbar an die Auskleidung 3 angebracht werden. Darüber hinaus ist auch eine Beschichtung der Auskleidung 3 denkbar (nicht dargestellt), die als Opferanode 20 wirkt. In diesem Fall müsste die Zementumhüllung 4 in Abständen unterbrochen werden, damit eine Berührung von der Beschichtung mit dem umgebenden Erdreich 2 in diesem Bereich ermöglicht wird.
Das zweite Kontaktelement 21 und die Operanode 20 ermöglichen eine elektrisch leitende Verbindung von einer Außenoberfläche der Auskleidung 3 oder von einer Außenoberfläche des Schleifkontakts 41 bis ins Erdreich 2, wobei das zweite Kontaktelement 21 und die Opferanode 20 derart dimensioniert werden, dass die die Auskleidung 3 umgebende Zementschicht 4 überbrückt wird und ein sicherer Kontakt mit dem Erdreich 2 hergestellt wird.
Das Kontaktelement 21 ist zusammen mit der Opferanode 20 in FIG.1 in der Schnittzeichnung keilförmig dargestellt und kann ein konischer Körper sein. Beliebige andere Formen sind denkbar. So ist in Fig. 4 eine Opferanode 20 ohne Kontaktelement 21 dargestellt, dass ebenfall konisch ist. Weiterhin ist in Fig. 4 in der Schnittzeichnung eine rechteckige Operanode 20 dargestellt, d.h. die Opferanode 20 ist weitgehend quaderförmig. Beliebige andere Formen sind denkbar, sofern ein zuverlässiger Kontakt mit dem Erdreich 2 hergestellt und möglichst einfach installiert werden kann.
Aufgrund der aufgeführten durchwegs elektrisch leitenden Komponenten ist es möglich, dass eine Spannung vom Sensor 10 und/oder von der Kommunikationseinrichtung 11, über den Schleifkontakt 41, optional die Auskleidung 3, optional das Kontaktelement 21 und die Opferanode 20 und das Erdreich 2 derart anliegt, dass am Sensor 10 und/oder an der Kommunikationseinrichtung 11 eine Spannung abgegriffen werden kann, die für die Versorgung des Sensors 10 und/oder der Kommunikationseinrichtung 11 ausreicht. Die am Sensor 10 anliegende Spannung sei eine erste Versorgungsspannung 30 (in FIG. 1 schematisch als Pfeil angedeutet) für den Sensor 10, die an der Kommunikationseinrichtung 11 anliegende Spannung sei eine zweite Versorgungsspannung (die in Fig. 1 nicht näher beziffert oder angedeutet ist). Übrige Komponenten können darüber hinaus resistiv wirken. Es können beispielsweise resistiv wirkende Komponenten eingesetzt werden, insbesondere in Abschnitten der Auskleidung 3 oder in den Verbindungsleitungen innerhalb der Halterung 40, so dass alle in der Förderlochanordnung 1 installierten Sensoren 10 und/oder Kommunikationseinrichtungen 11 genau die jeweils benötigte Betriebsspannung zugeführt wird.
In einer besonderen Ausgestaltung kann die Opferanode 20 als Opferanode eines für den Korrosionsschutz der Auskleidung 3 vorhandenen Kathodenschutzsystems ausgebildet sein. Unter dem Kathodenschutzsystems - auch kathodisches Korrosionsschutz-System genannt - ist ein leitendes System zu verstehen, bei dem zum Schutz vor Korrosion lediglich die Opferanode angegriffen und zersetzt wird, so dass lediglich aus der Opferanode Ionen herausgelöst werden. Lediglich als Seitenaspekt davon ergibt sich ein Ladungstransport in den elektrisch leitend miteinander verbundenen Komponenten, wobei dies gemäß der Erfindung für die Energieversorgung von Sensoren 10 und/oder Kommunikationseinrichtungen 11 verwendet werden kann.
Eine Opferanode 20 ist vorzugsweise einem Paar von Sensor 10 und Kommunikationseinrichtung 11 vorgesehen oder nur einem der beiden. Eine derartige und vorstehend beschriebene Anordnung kann dann in Abständen zueinander wiederholt aufgebaut werden, so dass aus verschiedenen Tiefen Sensordaten ausgelesen werden können.
In FIG. 2 ist eine Halterung 40 vergrößert dargestellt. In der Halterung 40 sind schematisch der Sensor 10 und die Kommunikationseinrichtung 11 als Quader im Inneren der Halterung 40 angedeutet. Die Halterung 40 ist als Rohr mit einer Mantelfläche 42 ausgebildet. in der Mantelfläche 42 eingelassen oder oberflächlich auf der Mantelfläche aufgebracht ist ein Schleifkontakt 41. Vom Schleifkontakt 41 ist jeweils eine leitende Verbindung zum Sensor 10 und zur Kommunikationseinrichtung 11 gestrichelt angedeutet. Weiterhin ist die umgebende Auskleidung 3 gestrichelt angedeutet, und das sich anschließende Kontaktelement 21 und die Opferanode 20, wobei diese erneut keilförmig dargestellt sind. Im Zentrum der zylindrischen Auskleidung 3 ist ein Abschnitt des Transportrohrs 5 gezeigt. Die Opferanode 20, das Kontaktelement 21, das die Auskleidung 3 durchdringt, der Schleifkontakt 41, Verbindungen vom Schleifkontakt 41 zum Sensor 10 und zur Kommunikationseinrichtung 11 sind elektrisch leitend ausgebildet. Eine im Betrieb anliegende Spannung am Sensor 10 ist durch einen Pfeil als Versorgungsspannung 30 schematisch angedeutet.
Die Halterung 40 hat vorzugsweise neben leitenden Abschnitten auch einen nicht leitenden Körper zur Aufnahme des Sensors 10 und/oder der Kommunikationseinrichtung 10, um ungewollte Kurzschlüsse am Sensor 10 und/oder an der Kommunikationseinrichtung 10 zu vermeiden.
FIG. 1 und FIG. 2 wurden anhand eines Förderlochs für einen Förderbetrieb erläutert, allerdings ist eine analoge Ausgestaltung auch für einen Bohrbetrieb denkbar, wobei lediglich das Bohrgestänge innerhalb des Förderlochs - d.h. dem Bohrloch - vorgesehen ist.
In Fig. 3 ist die in Fig. 2 erläuterte Komponente in einer Förderlochanordnung 1 angeordnet, die ohne eine Auskleidung 3 auskommt. In diesem Fall ist der bisher als Schleifkontakt 21 bezeichnete metallische Ring, der die Halterung 40 umgibt, selbst als Opferanode 20 ausgebildet und steht selbst direkt mit dem umgebenden Erdreich 2 in körperlicher Verbindung. Die sich ergebenden Hohlräume, die sich beim Bohren für den gewünschten Durchmesser der Halterung 40 ergeben, können zusätzlich mit Zement 4 aufgefüllt werden.
FIG. 4 betrifft den Produktions- bzw. Förderbetrieb in einer alternativen Ausgestaltung ohne Halterung 40. Die Konzepte der bisherigen Ausgestaltungen sind auch auf FIG. 4 anzuwenden, sofern sich kein Widerspruch ergibt. Deshalb wird im Folgenden auch auf bereits im Rahmen von FIG. 1 und 2 eingeführten Komponenten Bezug genommen.
Wie bisher ist eine Auskleidung 3 als Verschalung - ein so genanntes Casing und/oder ein Förderrohr und/oder Steigrohr - gegenüber dem Erdreich 2 vorgesehen. Das Förderrohr bzw. das Steigrohr ist dafür vorgesehen ein gefördertes Öl und/oder Gas und/oder Mehrphasengemisch und/oder Wasser aus einem Reservoir aus dem Untergrund an die Oberfläche zu leiten. Die Auskleidung 3 ist erneut vorzugsweise zylindrisch als Rohr ausgestaltet und von radial außen durch eine Zementumhüllung 4 stabilisiert.
Koaxial im Inneren könnte auch ein Pumpengestänge vorhanden sein, jedoch ist dies nicht weiter in FIG. 4 dargestellt.
In FIG. 4 ist die Auskleidung als elektrisch leitfähige Rohre aufgebaut. In einem ersten Abschnitt ist eine erste Auskleidung - mit Bezugszeichen 3 beschriftet - mit einem ersten Zylinderradius dargestellt. In einem zweiten Abschnitt ist weiterhin eine zweite Auskleidung 3' dargestellt, der einen zweiten Zylinderradius aufweist, der geringer ist als der erste Zylinderradius. Zur Stabilisierung und zur elektrischen Isolation ist die Auskleidung 3, 3' mit einer Zementumhüllung 4 umgeben. Die Auskleidung 3, 3' ist vorzugweise durchgängig über ihre Länge leitend. Die erste Auskleidung 3 und die zweite Auskleidung 3' sind über einen elektrisch leitenden Kontakt 23 elektrisch verbunden. Zur weiteren Stabilisierung dieses Übergangstücks ist eine Zementstabilisierung 24 in diesem Bereich vorgesehen.
In die Auskleidung 3, 3' integriert oder an diese angebracht ist ein Sensor 10 und/oder eine Kommunikationseinrichtung 11 als erfindungsgemäße erste unterirdische elektrische Komponente. Der elektrische Kontakt des Sensors 10 bzw. der Kommunikationseinrichtung 11 zur Auskleidung 3, 3' erfolgt über ein erstes Kontaktelement (nicht dargestellt).
Der Sensor 10 ist erneut dafür vorgesehen Zustandsdaten aufzunehmen und zu erfassen, wie Temperatur, Druck, Geschwindigkeit - und/oder die stoffliche Beschaffenheit des geförderten Fluids.
Diese durchgängig oder in gewissen Zeitabständen ermittelten Zustandsdaten können von dem Sensor 10 an die genannte Kommunikationseinrichtung 11 übermittelt werden, so dass die Kommunikationseinrichtung 11 - die zumindest eine Sendeeinrichtung umfasst - die Zustandsdaten mittels Kommunikationsdaten eines Kommunikationsprotokolls in Richtung Oberfläche überträgt. Vorzugsweise erfolgt die Kommunikation vom Sensor 10 zur Oberfläche erneut von Kommunikationseinrichtung 11 zu Kommunikationseinrichtung 11 in einer Kette. Dies ermöglicht es Sensoren 10 und Kommunikationseinrichtungen 11 mit geringem Energiebedarf einzusetzen.
Eine Energieversorgung eines jeweiligen Sensors 10 und/oder einer jeweiligen Kommunikationseinrichtung 11 erfolgt jeweils über eine Opferanode 20, die leitend mit dem Sensor 10 und/oder der Kommunikationseinrichtung 11 verbunden ist. Es kann sich somit über eine leitende Verbindung von der Opferanode 20 über den Sensor 10 und/oder der Kommunikationseinrichtung 11 ein Stromfluss ergeben. Als Folge des Stromflusses bzw. des sich ergebenden Spannungspotentials liegt eine Versorgungsspannung am Sensor 10 und/oder an der Kommunikationseinrichtung 11 an.
In Fig. 4 ist eine Variante angedeutet, dass der Sensor 10 und die Kommunikationseinrichtung 11 direkt in die Auskleidung 3 integriert ist. Alternativ ist eine Variante dargestellt, dass der Sensor 10 und die Kommunikationseinrichtung 11 oberflächlich - bevorzugt auf der radial inneren Oberfläche in Bezug auf eine Symmetrieachse - an die Auskleidung 3' angebracht ist.
Weiterhin sind schematisch verschiedene Ausgestaltungen der Opferanode 20 angedeutet, wobei in der Fig. 4 stets die Zementumhüllung überbrückt wird und durch die Operanode 20 eine leitende Verbindung vom Erdreich 2 zu einer Außenoberfläche der Auskleidung 3, 3' hergestellt wird.

Claims

Förderlochanordnung (1) zum Bohren oder Betreiben eines Förderlochs, das zum Fördern eines Fluids, insbesondere Erdöl und/oder Erdgas, aus einer unterirdischen Lagerstätte vorgesehen ist, umfassend
- mindestens eine unterirdische elektronische Komponente (10, 11), und

- mindestens eine Opferanode (20), die mit einem umgebenden Erdreich (2) des Förderlochs elektrisch in Verbindung steht,
wobei eine erste der mindestens einen Opferanoden (20) mit einer ersten der Komponenten (10, 11) derart miteinander elektrisch verbunden ist, dass ein sich ergebendes Spannungspotential (30) über die erste Opferanode (20) und über die erste Komponente (10, 11) als Versorgungsspannung für die erste Komponente (10, 11) verwendet wird.
Förderlochanordnung (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die erste Komponente (10, 11) einen Sensor (10) und/oder eine Kommunikationseinrichtung (11) umfasst.
Förderlochanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine elektrisch leitende Auskleidung (3) zur Stabilisierung des Förderlochs gegenüber dem umgebenden Erdreich (2) vorgesehen ist und die mindestens eine Opferanode (20) mit der Auskleidung (3) elektrisch verbunden ist.
Förderlochanordnung (1) nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die elektrisch leitende Auskleidung (3) eine isolierende Umhüllung und/oder eine Zementumhüllung (4) zwischen der Auskleidung (3) und dem umgebenden Erdreich (2) aufweist, wobei mindestens ein Abschnitt (21) vorgesehen ist, der eine elektrische Verbindung zwischen der Auskleidung (3) und dem Erdreich (2) bereitstellt.
Förderlochanordnung (1) nach einem der Ansprüche 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die erste Komponente (10, 11) in die elektrisch leitende Auskleidung (3) integriert ist oder an die elektrisch leitende Auskleidung (3) angebracht ist oder in einem rohrförmigen Inneren der Auskleidung (3) angeordnet ist.
Förderlochanordnung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
dass die erste Komponente (10, 11) in einer Halterung (40), die eine im wesentlichen zylindrische an ein zylindrisches Rohr der Auskleidung (3) angepasste Mantelfläche (42) aufweist, angeordnet ist, wobei ein Schleifkontakt (41) an der Mantelfläche (42) vorgesehen ist, um die erste Opferanode (20) mit der ersten Komponente (10, 11) elektrisch zu verbinden
oder
dass die erste Opferanode (20) als Schleifkontakt (41) an der Mantelfläche (42) ausgebildet ist um den elektrischen Kontakt zum Erdreich (2) und zur ersten Komponente (10, 11) herzustellen.
Förderlochanordnung (1) nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass koaxial zur elektrisch leitende Auskleidung (3) ein Transportrohr (5) zum Leiten des geförderten Fluids vorgesehen ist, wobei die Halterung (40) mit dem Transportrohr (5) über ein elektrisch isolierendes Verbindungselement mechanisch verbunden ist.
Förderlochanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die erste Komponente (10, 11) eine Sende- und/oder Empfangseinrichtung zur Übermittlung von Daten aufweist, wobei die Daten mittels akustischer Wellen oder optischer Wellen oder Radiofrequenzwellen oder elektromagnetischer Wellen übermittelt werden.
Förderlochanordnung (1) nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass für die Sende- und/oder Empfangseinrichtung zur Übermittlung als Übertragungsmedium ein Lichtfaserleiter oder ein elektrisches Kabel oder Luft oder die Auskleidung (3) oder das Fluid vorgesehen ist.
Förderlochanordnung (1) nach einem der Ansprüche 10 oder 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine zweite elektronische Komponente und eine dritte elektronische Komponente mit ihren jeweiligen Sende- und/oder Empfangseinrichtungen zusammen mit der Sende- und/oder Empfangseinrichtung der ersten Komponente (10, 11) eine Übertragungskette bilden, so dass Daten von der Sendeeinrichtung der ersten Komponente (10, 11) zur Empfangseinrichtung der zweiten Komponente übertragen werden und nach Erhalt bei der zweiten Komponente die Daten durch die Sendeeinrichtung der zweiten Komponente zur Empfangseinrichtung der dritten Komponente übertragen werden.